余鹏飞1,2  张小松1
1东南大学 能源与环境学院
2 南京工程学院 能源与动力工程学院

    【摘  要】对R236fa/R32与四种常规制冷剂制冷系统的性能进行了实验研究和对比分析；建立了THIC空调四种模式下的空调系统计算模型和能耗分析方法；对R236fa/R32制冷系统的THIC空调系统和R22常规空调系统能耗进行了比较分析。结果表明：R236fa/R32当R32组份为60%时，制冷系统的COP最大。相对常规制冷剂R22、R410A、R407C、R134a制冷系统，R236fa/R32(0.4:0.6)的COP值最高，压缩机功率最低，排气温度最高，但满足压缩机安全稳定运行要求。R236fa/R32制冷系统的THIC空调系统相对R22常规空调系统具有一定的节能潜力，节能率为18.32%。

    【关键词】R236fa/R32；常规制冷剂；性能研究；THIC；能耗比

    【基金项目】国家重点研发计划项目（No.2016YFC0700305)

    Abstract: The performance of R236fa/R32 and four kinds of conventional refrigerant refrigeration system are tested and analyzed; the calculation model and analysis method of energy consumption of the air conditioning system of THIC air conditioning under the four modes of establishment; THIC air conditioning system and R22 conventional air conditioning system of R236fa/R32 refrigeration system energy consumption were analyzed. The results show that when R32 is 60%, the maximum COP of the refrigeration system is R236fa/R32. Compared with conventional refrigerant R22, R410A, R407C and R134a refrigeration systems, R236fa/R32 (0.4:0.6) has the highest COP value, the lowest compressor power and the highest exhaust temperature, but meets the requirements of safe and stable operation of the compressor. The THIC air-conditioning system of R236fa/R32 refrigeration system has certain energy saving potential relative to R22 conventional air-conditioning system, and the energy saving rate is 18.32%.
    Key words：R236fa/R32; conventional refrigerants; performance study; THIC; energy consumption ratio

0 前言

    当前，随着社会可持续发展的要求，对于节能型空调系统和相应的环保型、循环性能优越的制冷剂的制冷系统的研究具有重要的现实意义。温湿度独立控制空调系统（Temperature and humidity independent control air conditioning system，简称THIC空调系统）相对常规空调系统具有“高质高用、低质低用”的合理用能原则^[1] ，因此，多种温湿度独立控制空调系统及相应制冷机组的研发得到国内外学者的广泛研究。在冷却除湿空调系统方面，新风改善了室内空气质量，采用辐射空调增强了室内热舒适性、并且提高了空调系统的能效。Gao等^[2]定量分析了冷却水参数和室内空气温度等参数对辐射冷却系统冷却能力的影响。Khan等^[3]通过对辐射冷却系统的能耗计算得出相对传统全空气系统节省17.5%的能耗。Si等^[4]验证了新型空气型感应辐射空调系统的可行性，并采用了非共沸制冷剂制冷机组。Zhao等^[5]对一种新型采用新风冷却除湿的家用VRF辐射空调系统进行了开发和实验测试。Han等^[6]研制了一种温湿度分离控制的空调器，可分别调节室内温湿度。Liu等^[7-9]对用于温湿度独立控制空调系统的双蒸发器制冷装置进行了大量的研究。在溶液除湿空调系统方面,Yao等^[10]提出了一种新的低温、低浓度溶液除湿空调系统，冷凝热能够满足溶液的再生。Zhao等^[11]介绍了一种由热泵驱动的溶液除湿新风机组和干式风机盘管的温湿度独立控制系统。在转轮除湿空调系统方面,Jeong等^[12]研究了低温除湿转轮空调系统的性能。在联合除湿空调系统方面，Su等^[13]提出了一种与液体除湿相结合的压缩吸收式制冷空调系统。Jiang等^[14]对一种新型混合固体除湿热泵系统进行了实验研究。

但是，对于利用非共沸混合工质变温制冷系统^[15]实现温、湿独立处理的空调系统的研究较少，该系统采用一套压缩机和冷凝器，双蒸发器，使用R236fa/R32制冷剂，可分别提供7℃/12℃和18℃/23℃冷冻水用于处理空调系统的显热和潜热，可用于双冷源温湿度独立控制空调系统^[16] （Dual Cooling Sources Temperature and Humidity Independent Control air conditioning system ，简称DCSTHIC空调系统）。本文通过对该制冷系统与四种常规制冷剂制冷系统的性能比较，以及对所应用的多种空调系统综合能耗比的比较分析，研究该机组及应用于THIC空调系统的节能潜力。

1 制冷剂

    各制冷剂的物性参数见表1，理想的制冷剂宜选用ODP（ Ozone Depletion Potential）=0、GWP（ Global Warmth Potential）较低的制冷剂，R32具有较大的单位制冷量，R236fa/R32利用两者不同沸点混合后的大温度滑移实现变蒸发温度。

2 制冷循环性能比较

    2.1 实验装置

    如图1，R236fa/R32混合工质通过压缩机压缩后进入冷凝器冷凝，然后经储液器、干燥过滤器，经电子膨胀阀节流后进入蒸发器1、蒸发器2，然后被压缩机吸入完成下一个制冷循环。该装置还包括冷却水循环系统和两套冷冻水循环系统，通过电加热器和阀门调节水流量控制各水箱的出口水温。

    2.2 变组分制冷循环性能分析

    如图2：随着R32组分的增加，制冷系统的COP值先增大，后减小，在R236fa/R32(0.4/0.6）处达到最大。这是因为纯R236fa气体区的等熵线斜率较大,压缩机耗功较少，随着R32含量的稍微增加,混合物的潜热变大,制冷量增加,而此时R236fa占主要成分，等熵线斜率亦较大,压缩机耗功较小,故COP增加,之后随着HFC32的增加,混合物受其影响变大,由于 HFC32 的等熵线斜率较小,制冷量的增大无法弥补压缩机耗功的增加,COP减小。COP理论值小于实测值，但随R32组分的增加变化趋势相同。冷凝压力和蒸发压力随着R32组分的增加而增加。压缩机的功率随R32组分的增加，先减小，后增大，在R236fa/R32(0.4/0.6）处达到最小。

    如图3：排气温度随R32组分的增加不断升高。但最高排气温度低于100℃，满足压缩机安全稳定运行要求。

    2.3 与常规制冷剂制冷循环性能比较

    用于常规空调系统的制冷工质有R22、R410A、R407C、R134a。如图4所示，R236fa/R32(0.4/0.6）的COP值相对纯制冷工质的实际循环最大，压缩机的功率最低，R410A的冷凝压力和蒸发压力最高。

    由图5可知：R134a的排气温度最低，R236fa/R32(0.4/0.6）的排气温度最高。

3 空调系统能耗分析

    空调系统的能耗除了与空调系统的形式有关，还受制冷机组性能的影响，为了进一步研究用于R236fa/R32的双冷源温湿度独立控制空调系统的节能潜力，对于不同模式的常规空调和THIC空调系统，将R236fa/R32(0.4/0.6）制冷系统的温湿度独立控制空调系统与R22制冷系统的常规空调系统进行能耗的比较分析，研究各模式下空调系统的能耗和各部件耗能比，为R236fa/R32制冷系统的进一步研究提供理论基础。

    3.1  THIC模型空气处理过程模型

    双冷源温湿度独立控制空调系统可采用循环除湿或直流排湿方法，一般有四种处理过程，如图6，分别为无新风的室内显热末端+循环除湿（模式一）、室内显热末端+新风直流排湿（模式二）、室内显热末端+一次回风系统（模式三）、室内显热末端+新风预处理一次回风系统（模式四）。

    THIC空调系统设计计算方法：

    THIC与常规空调系统的设计计算方法有很大的不同，THIC注重湿度控制，强调热、湿分开的原则，所以在负荷计算中显热负荷和潜热负荷要分类汇总，设计计算时以湿负荷为主要计算依据，根据送风温度与室内设计温度的差异，确定显热负荷的承担任务。如图7：

        （1）除湿所需风量的确定

        按照卫生标准及满足除湿量的要求，选择最大的送风量[17]。除湿量要求的风量按公式计算。

       

        对于模式一：除湿所需风量为低温冷源循环风量。

        对于模式二：除湿所需风量为新风量。

        对于模式三、模式四：除湿所需风量为新风量和回风量之和。

        式中：W—室内余湿量，g/h；G_L—除湿所需风量，kg/h；d_L—L点含湿量，g/kg 干；dn—室内含湿量，g/kg 干;

    （2）低温冷源制冷量

     对于模式一：Q_L=Q_室内潜热+Q_{部分室内显热}

   

    对于模式二：Q_L=Q_室内潜热+Q_{部分室内显热}+Q_新风显热+Q_新风潜热

   

    对于模式三：Q_L=Q_室内潜热+Q_{部分室内显热}+Q_新风显热+Q_新风潜热

   

    对于模式四：Q_L=Q_室内潜热+Q_{部分室内显热}+Q_新风显热+Q_新风潜热—Q_预冷

  

        式中：Q_L—低温冷源冷量，kW；i_n—N点焓值，kJ/kg；i_L—L点焓值，kJ/kg；i_W—室外焓值，kJ/kg；i_m—M点焓值，kJ/kg；i_L1—L1焓值，kJ/kg；

    （3）低温冷源承担的空调房间显热负荷

    Q_XL=cG_L (t_n-t_L)/3600  （6）

    式中：Q_XL—低温冷源承担的室内显热负荷，kW；C—空气比热，KJ/(Kg·℃)

    （4）高温冷源制冷量

    对于模式一、模式二、模式三：Q_H=Q_室内显热—Q_{部分室内显热}

   

    对于模式四：Q_H=Q_室内显热—Q_{部分室内显热}+Q_预冷

  

    式中：Q_H—高温冷源冷量，kW；Q_T—空调房间显热负荷，kW；G_F—空调房间显热末端风量，kg/h；Q_yL—新风预冷量，kW；

   3.2常规空调空气处理过程模型

    常规空调空气处理过程一般有三种，如图:8，分别为为无新风模式（模式一）、全新风模式（模式二）新风加回风混合模式（模式三）。

   3.3 空调系统的能效比

    不同形式空调系统的能耗不同，由于采用的空调机组不同，空调系统能耗大小不能真实的反映空调系统的节能特点，而能效比能够反映出空调系统的能源消耗情况。空调系统总能耗[18]包括机组能耗、水泵能耗、风机能耗。

    空调系统能耗比

    

    式中：EER—空调系统能耗比，Q—空调系统总制冷量，KW；P—空调系统总的功耗，KW；P₁—冷源的功耗，KW；P₂—系统水泵的功耗，KW；P₃—系统风机的功耗，KW；Q_L—低温冷源冷量，KW；Q_H—高温冷源冷量，KW；COP₁—低温冷源制冷系数；COP₂—高温冷源制冷系数；K—取1.25；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s²；H—扬程，mH₂O； η—效率，取0.7^[19] ；P_f—单位冷量下风机的功耗，KW/ KW。

    3.4 应用举例及空调能耗分析

    以典型的夏热冬冷地区南京市某商店为例，空调房间面积20m²，负荷2800Ｗ，新风20m³人·ｈ，人员密度为4m²/人，人员散湿量为109g/（人·h），室内设计参数N：温度26 ℃、相对湿度60％，室外设计参数W：干球温度34.8 ℃、湿球温度28.1℃。各空调模式下冷源冷量、风量、功耗及能效比计算结果见表2：

    由表2可知：

    （1）对于常规空调和THIC空调系统，系统总能耗随新风量的增加而增加；
    （2）对于常规空调系统的三种模式，新风量不影响空调系统总的能效比，但对于THIC空调系统，新风量影响着空调系统总的能效比，主要原因是对于不同的空调模式，一方面，新风量的增加，可以加大空调系统的除湿能力，另一方面，也增加了空调系统负荷。
    （3）对于常规空调系统尽管采用不同模式，空调系统总功耗不同，但是由于采用单一冷源，所以空调系统能效比相同。对于THIC空调系统，不同模式下，空调系统总功耗不同，空调系统能效比也不同。主要原因是高温冷源和低温冷源承担的负荷不同。其中，采用新风预冷的THIC空调系统模式四能耗比最高。
    （4）对于无新风的空调系统（THIC空调模式一和常规空调模式一），THIC空调系统相对常规空调系统有着明显的节能优势，节能率为24.5%。
    （5）对于全新风的空调系统（THIC空调模式二和常规空调模式二），常规空调需要的冷源冷量最大。这种模式下THIC空调系统相对常规空调系统节能率为16.49%。
    （6）对于一次回风系统（THIC空调模式三和常规空调模式三），由于THIC空调的新风主要满足人员卫生和除湿的要求，所以新风量相对常规空调小，因此，冷源的冷量要求小。能效比高，节能率为18.32%。
    （7）对于THIC空调模式四，新风通过预冷，高温冷源承担的负荷增加，低温冷源承担的负荷减少，所以相对THIC空调模式三能效比增加了12.23%。

    各系统中主要耗能部件耗能情况如图9、10所示：

    （1）空调系统的主要能耗是冷源的耗能，由于THIC空调相对常规空调系统复杂，所以水泵和风机在系统中能耗比会增加。

    （2）随着高温冷源能耗比的增加，THIC空调系统的能效比也增加。所以，在THIC空调设计时，尽量利用高温冷源的冷量，在满足人员卫生和除湿的要求下，适当调整回风量的大小以增加空调系统的能效比。

4 结论

    （1）通过与常规制冷剂比较，R236fa/R32(0.4/0.6）非共沸混合工质COP最高；压缩机功率最低；冷凝压力和蒸发压力适中。缺点是排气温度最高，但最高排气温度低于100℃，满足压缩机安全稳定运行要求。

    （2）采用R236fa/R32(0.4/0.6）制冷系统的THIC空调相对R22机组的空调系统具有一定的节能潜力。特别是采用THIC空调模式四节能率为27.22%。

    （3）对于常规空调，无新风模式下空调系统的冷量需求最少。对于THIC空调模式，适当增加新风量，虽然空调系统的冷量需求增加，但是空调的能效比增加。所以在室外含湿量较小的地区，可以适当增加新风量的设计。

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    备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。

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